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Nukleare Rezeptoren Ein Überblick Inge Schuster Institut für Pharmazeutisch Chemie Universität Wien.

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Präsentation zum Thema: "Nukleare Rezeptoren Ein Überblick Inge Schuster Institut für Pharmazeutisch Chemie Universität Wien."—  Präsentation transkript:

1 Nukleare Rezeptoren Ein Überblick Inge Schuster Institut für Pharmazeutisch Chemie Universität Wien

2 Überblick  Signaltransfer in Zellen  Was sind Nukleare Rezeptoren?  Ursprung und Evolution Nuklearer Rezeptoren  Relevanz  Strukturelemente Nuklearer Rezeptoren  Liganden  Allgemeine Mechanismen

3 Signaltransfer in Zellen  Alle Zellen prüfen und verarbeiten permanent Information aus der „Umgebung“  Detektion der Information durch Rezeptoren  Information in Form von Mediatoren/ Hormonen: hochspezifische Schlüssel in Rezeptoren  Konformationsänderung des Rezeptors  Signal auf Gen-Expression  Veränderte Funktion

4 Signaltransfer durch Rezeptoren Intrazelluläre Rezeptoren Membranrezeptoren Transkription Lipophiles Hormon aktiviert Rezeptor im Nukleus Peptid- hormone, Cytokine... Extrazelluläre Peptid- hormone, Cytokine... Signal über Kaskade von Protein-Protein Wechselwirkungen zum Nukleus

5 Definition: Nukleare Rezeptoren Multi-funktionelle Liganden-aktivierte Transkriptionsfaktoren Regulieren die Expression von Targetgenen DNA Rezeptor „ Schlüssel-Gene“ in EntwicklungReproduktionHomeostaseMetabolismusCytosol Nucleus Ligand

6 Superfamilie: Nukleare Rezeptoren (NR)  Sehr große (größte) Gen-Superfamilie, die für eukaryo- tische Transkriptionsfaktoren kodiert  NR auf das Tierreich beschränkt  NR stammen von einem gemeinsamen Vorläufer ab  NR haben den gleichen molekularen Aufbau aus definierten Modulen; MW – D  > 200 verwandte Gene identifiziert: –Caenorhabditis elegans (Nematode) > 270 –Drosophila melanogaster –Homo sapiens

7 Phylogenetische Analyse in Säugetieren 48 (49) NR in 6 Subfamilien NR-Vorläufer RXR (  ) HNF-4 (  ) COUP-TF (  ) TLXPNR TR2 (  ) NGFI-B (  SF-1/FTZ-F1 (  GCNF SHPDAX-1 Liganden bekannt Liganden unbekannt : Orphan Receptors TR (  RAR (  ) VDRPPARPXRLXRFXR CAR (  ) Rev/Erb (  ) RZR/ROR (  ) UR GRARPRMR ER (  ERR (  Steroid-Rezeptoren

8 Chronologie von NR‘s Ecdyson erzeugt Puffs am Chromosom Steroidhormon – Rezeptoren (AR, ER, GR, MR) (AR, ER, GR, MR) VDR, TR RAR PPAR, RXR GCNF, ROR, SF-1; FXR, LXR Orphan receptors Orphan receptors

9 NR in Körperzellen  NR in Vielfalt von Zelltypen eines Organismus vorhanden  Diese Zellen sind Target für Wirkung der spezifischen NR- Liganden  Pleiotrope Effekte auf Zell-/Organ Entwicklung, Homeostase, Metabolismus und Apoptose Beispiel: Vitamin D Rezeptor (VDR) - In praktisch allen Körperzellen und Tumorgeweben - Reguliert > 60 Gene - Calcium Homöostase - Proliferation /Differenzierung - Immunmodulation

10 Welche Bedeutung haben NR für Medizin und Pharmazie?

11 NR und Steroidhormon-Analoga: Publikationen (NIH-library) Agonisten – Antagonisten klassischer NR‘s: herausragende Rolle in Prevention/Therapie benigner und maligner Defekte Gigantisches Potential von Liganden von Orphan Receptors (Reverse Endocrinology)

12 2003 The Role of Nuclear Receptors in Cardiovascular Disease October , 2003 Hotel Del Coronado, Coronado Island in San Diego, CA Neue Aspekte Sessions will present the latest developments in nuclear receptor structure and function and will spotlight the emerging roles of key nuclear receptors (PPARs, aldosterone, estrogen and thyroid) in cardiovascular disease. The cutting-edge presentations will range from basic nuclear receptor biology to clinical investigation of agents that target these receptors.

13 Modulstruktur von NR

14 NR: Modul-Organisation NH 2 COO - variable N-terminale Region Konservierte DNA-Bindungs Region: aa (42-94 %) Konservierte Liganden- Bindungsregion (15–57 %) Variable „Hinge“ Region variabel A/B C D E/F Konstitutive Aktivierungsfunktion AF-1 Aktivierungsfunktion AF-2

15 Modulaufbau von NR‘s NH 2 - -COO - ER (estrogen R): 595 aa RAR (Retinsäure R): 432 aa -COO - RAR (Retinsäure R): 432 aa NH 2 - TR (thyroid hormone R): 408 aa -COO - TR (thyroid hormone R): 408 aa NH 2 - VDR (Vitamin D R): 420 aa -COO - VDR (Vitamin D R): 420 aa NH 2 - A/B C D E/F PR (progesterone R): 934 aa -COO - PR (progesterone R): 934 aa NH 2 -

16 DNA-Bindungs Domäne – DNA Response Elements

17 DNA-Bindungs-Domäne (DBD) Sequenzerkennung Dimerisierung A/B C D E F DNA Zn Zn 2 Zink-Finger (60-80 aa) NH 2 COO - Response element Recognition  -helix

18 DNA-Response Elements (RE) Symmetrisch (Palindrom ) GR-GRPR-PRAR-ARER-ERMR-MRRXR-RXR 5‘ AGAACAnnnTGTTCT 3‘ Nukleare Rezeptoren binden an RE‘s als Homo-Dimere Hetero-Dimere Monomer Homo-Dimere Hetero-Dimere Monomer 5‘ AGGTCA (n) x AGGTCA 3‘ oder RXR Direct Repeat oder Inverted Palindrome RXR-RAR (DR2, DR5) RXR-VDR (DR3, IP9) RXR-PPAR (DR1) RXR-PXR (DR3) RXR-CAR (DR5)..... RZR/ROR SF-1 (M, D,H) Rev-Erb (M,D)

19 Hinge domain NH 2 COO -  Intramolekulare Wechselwirkungen zwischen LBD und Hinge D – Rolle in Liganden-Bindung, Dimerisierung  Signal für nukleare Lokalisation COO - NH2NH2 Unterschiedliche Länge und Sequenz bei unterschied- lichen NR Konservierte Domäne bei Isoformen eines NR D

20 Liganden-Bindungsdomäne (LBD)

21 A/B C D E F NH 2 COO - Liganden-Bindungsdomäne (LBD) Konservierte Struktur aus 12 Helices Konformationsänderung bei Bindung des Liganden Konformationsänderung bei Bindung des Liganden Ligand im hydrophoben „Core“ Ligand im hydrophoben „Core“ H12 H11 Apo-RXR H12 H11 Holo-RAR Bilder nach Aranda & Pascual, 2001

22 Crystallographic structure of the VDRmt bound to 1,25(OH) 2 D 3 Rochel, N., Wurtz, J.M., Mitschler, A., Klaholz, B. & Moras, D. (2000) The crystal structure of the nuclear receptor for vitamin D bound to its natural ligand. Mol. Cell 5, 173–179

23 X-Ray Analysen der Ligandenbindungs-Domäne (LBD) von > 15 NR‘s X-Ray Analysen der Ligandenbindungs-Domäne (LBD) von > 15 NR‘s Bindung des Liganden führt zur Konformationsänderung der LBD – Ligand vollständig eingebettet im hydrophoben Core Bindung des Liganden führt zur Konformationsänderung der LBD – Ligand vollständig eingebettet im hydrophoben Core Hochaffine, spezifische Bindung (K D – M) Mausefalle -Modell

24 LBD -multifunktionell A/B C D E F NH 2 COO -  Bindung des Liganden  Dimerisierung (H 10,11, )  Reguliert transkriptionelle Funktion durch Interaktion mit „Accessory Factors“ H12 H11 H10 AF-2

25 LBD-Dimerisierung LBD DBD LBD-Dimerisierung >> DBD-Dimerisierung RE

26 Mechanismus der NR-Funktion TATA NCoA: Receptor coactivator complex TBP: TATA-Box binding protein NCoA: Receptor coactivator complex TBP: TATA-Box binding protein NCoA Basal factors TBP RNA Pol II CBP/ p300 Histone acetylation Aktiver NR Dimerbildung

27 Liganden von NR‘s

28 NR-Liganden sind lipophile, kleine Moleküle  Steroide, Retinoide, Eicosanoide, Thyronin  MW (< 1000) D  Passive Penetration durch Zellmembranen Templates für Synthese neue Wirkstoffe: Strukturelle Modifikation der Liganden zur gezielten, spezifischen Kontrolle der NR-Funktion Optimierung der pharmakokinetischen Eigenschaften

29 Woher kommen Liganden der NR? Endogene Metabolite des Lipid-, Steroid-, Vitamin-Stoffwechsels Exogene Verbindungen Nahrung, Umwelt, Pharmaka parakrin endokrin autokrin

30 1,25(OH) 2 Vitamin D 3 (VDR) All-trans Retinsäure (RAR) 13-cis Retinsäure (RXR) Progesteron(PR)Testosteron(AR)Oestradiol(ER) Trijod-Thyronin(TR) Liganden - Beispiele

31 Autokrine – parakrine Regulierung: O H D 25(OH)D 3 CYP27B 1 ,25(OH) 2 D 3 CYP24 Calcitroic acid (Seitenkettenspaltung) 1 7-DHC VDR Vitamin D Synthese und Inaktivierung ebenso wie VDR in Keratinocyten der Haut

32 Effekt von Liganden auf Gen-Expression Target Gen InaktivAgonistAntagonist Inverse Agonist Aktive Konformation Inaktive Konformation

33 Liganden des Oestrogen Rezeptors (ER) Hydroxytamoxifen ICI GenisteinAgonist Antagonist (AF2)

34 Agonist -Antagonist NCoA AF-2 Dimerisierung AgonistExponierte sites für Dimerisierung und Rekrutierung der Co-Aktivator Komplexe (NCoA) Agonist: Exponierte sites für Dimerisierung und Rekrutierung der Co-Aktivator Komplexe (NCoA) Antagonistites für Dimeri- sierung und/oder Rekrutierung der NCoA-Komplexe Antagonist: Unvollständige/Fehlende Sites für Dimeri- sierung und/oder Rekrutierung der NCoA-Komplexe

35 RXR (  ) HNF-4 (  ) COUP-TF (  ) TLXPNR TR2 (  ) GRARPRMR ER (  ERR (  NGFI-B (  SF-1/FTZ-F1 (  GCNF SHPDAX-1 TR (  RAR (  ) VDRPPARPXRLXRFXR CAR (  ) Rev/Erb (  ) RZR/ROR (  ) UR Inhalt des Seminars Jungbauer Huber Klocker Thalhammer TATA NCoA Basal factors TBP CBP/p 300 Wintersberger

36 Literatur Aranda A, Pascual A (2001) Nuclear hormone receptors and gene expression Physiol.Reviews 81: Laudet V (1997) Evolution of the nuclear receptor superfamily: early diversification from an ancestral orphan receptor J.Mol.Endocrinol.19: Lazar MA (2002) Mechanism of action of hormones that act on nuclear receptors.


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